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Condensazione e Fisica Stampa E-mail
20 Set, 2007 at 12:00 AM
 - La condensazione come fenomeno fisico

La condensazione (anche detta liquefazione) è il passaggio di fase di una sostanza dallo stato gassoso allo stato liquido.

Una certa quantità di vapore ad una determinata pressione e ad una determinata temperatura è in grado di assorbire solo una quantità limitata di vapore acqueo. Oltre questa quantità, detta satura, tutto l'apporto supplementare di vapore subisce il fenomeno della condensazione. La quantità massima di vapore acqueo che il volume d'aria può contenere dipende dalla temperatura dell'aria stessa: più tale temperatura è alta, maggiore è la quantità di vapore acqueo che il volume d'aria può contenere.

Si definisce saturo un determinato volume d'aria che possiede la massima quantità di vapore acqueo che può contenere ad una data temperatura. Alla saturazione l'umidità relativa del volume d'aria è pari al 100%.

L'umidità relativa (RH) esprime, attraverso una percentuale, quanto la massa d'aria è lontana dalla saturazione, cioè quanto è lontana dal punto di rugiada. Non fornisce alcuna informazione sul contenuto effettivo di vapore. Ad esempio una umidità relativa dell'80% indica che il volume d'aria contiene l'80% del vapore necessario a renderlo saturo ed è quindi sufficiente un aumento del 20% di vapore acqueo per raggiungere la saturazione.  

L'umidità relativa è funzione della saturazione e varia con l'inverso della temperatura:

RH(%)=(VP/SVP)·100

dove:

VP = Vapor Pressure
SVP = Saturation Vapor Pression


Inoltre se un volume d'aria viene raffreddato, mantenendo costante la pressione e la quantità di vapore acqueo, si verifica il passaggio di stato dalla fase gassosa alla fase liquida quando la temperatura dell'aria scende al di sotto di una specifica temperatura: essa è denominata temperatura di rugiada o dew point temperature.

Pertanto in un volume d’aria contenente del vapore posso far avvenire il fenomeno della condensazione o immettendo del vapore o raffreddando.

Ciò può essere più chiaro con il'esempio che segue. 

condensazione01Si prenda un determinato volume d'aria che contiene un'umidità relativa del 50% (lontano dal punto di saturazione). Introducendo del vapore acqueo, dopo un certo periodo di tempo si raggiunge la condensazione poiché il volume d'aria non è più in grado di assorbire il vapore immesso: si è raggiunta l'umidità relativa del 100%.

 


condensazione02

Inoltre se si prende un volume d'aria già condensato (cioè contenente il 100% di umidità relativa) e lo si riscalda, dopo un certo periodo di tempo si verifica il fenomeno dell'evaporazione; cioè il volume d'aria è in grado di contenere ulteriori quantitativi di vapore, ossia, all'aumentare della temperatura aumenta la quantità di vapore saturante. Si può pertanto dire che il volume d'aria si comporta come una spugna la cui avidità cresce con la temperatura.
 

condensazione03

 

Viceversa, se si prende un volume d'aria non ancora condensato (es. con l’80% di umidità relativa) e lo si raffredda si raggiunge ad una data temperatura il 100% di umidità relativa, cioè oltre tale temperatura di soglia si verifica il fenomeno della condensazione.

Questa temperatura di soglia viene definita temperatura di rugiada o punto di rugiada (Td, Dewpoint temperature).

La temperatura alla quale un dato volume d'aria raggiunge la saturazione, in condizioni di pressione e quantità di vapore costanti, viene definita temperatura di condensazione o punto di rugiada (Td).

Riassumendo, il punto di rugiada indica la temperatura alla quale un volume d'aria sottoposto a raffreddamento raggiunge la saturazione, mantenendo invariati la pressione e la quantità di vapore acqueo contenuta.

Se la temperatura di rugiada (a pressione ambiente) è maggiore del punto di congelamento si verifica il fenomeno della condensazione con la formazione della nebbia e della rugiada. Mentre, se la temperatura di rugiada è inferiore al punto di congelamento si verifica il passaggio di stato della sublimazione, cioè la trasformazione diretta del vapore acqueo in cristalli di ghiaccio con la formazione della cosiddetta brina.

condensazione04

La temperatura di rugiada è una grandezza molto importante in quanto tutti i fenomeni di condensazione avvengono quando la temperatura di una massa d'aria raggiunge il punto di rugiada.

A seconda della temperatura alla quale ci si trova, in un metro cubo d'aria si può avere una quantità di vapore acqueo saturante corrispettiva. Nella tabella sottostante sono riportati i grammi di vapore acqueo necessari per saturare un volume di aria di 1 m3 alla pressione di 1 atmosfera (1013,25 hPa).

 

condensazione05

Ad esempio, 1 m3 di aria, alla pressione di 1 atmosfera, alla temperatura di 20 °C necessita, per poter essere saturo, di 17,15 gr di vapore acqueo.

In aria pura si può verificare una situazione particolare in cui l'atmosfera può contenere una quantità di vapore superiore al limite di saturazione, senza assistere al fenomeno della condensazione. Questo fenomeno si chiama sovrassaturazione e in questo caso l'aria è detta soprassatura. La sovrassaturazione è una situazione di equilibro molto instabile: è sufficiente un po' di pulviscolo per generare la condensazione massiva.

Se il fenomeno della sovrassaturazione si verifica a temperature estremamente basse (sotto i -40 °C ) avviene un brinamento massivo (il vapore acqueo si trasforma direttamente in ghiaccio). Tale fenomeno è denominato sopraffusione.

- Variazione dei parametri atmosferici al variare della quota

 

All'aumentare della quota variano i parametri atmosferici, in particolare:
- diminuisce la temperatura,
- diminuisce la pressione,
- diminuisce la densità.

Le caratteristiche dell’atmosfera variano non soltanto con la località e con la quota ma presentano variazioni giornaliere e stagionali notevoli. Pertanto, per poter semplificare il problema e introdurre delle relazioni di facile comprensione, ci si riferisce ad un modello di atmosfera stazionario, cioè non variabile nel tempo e valido su tutta la superficie terrestre.

E' importante sottolineare che tale modello, pur essendo fortemente approssimato, riesce a simulare abbastanza bene il comportamento reale dei parametri atmosferici al variare della quota.

Tale modello è stato definito da un organismo internazionale, l'ICAO, ed è pertanto denominato I.S.A. (ICAO Standard Atmosphere).

L'I.S.A. rappresenta le condizioni normali riscontrabili alle latitudini medie nel periodo equinoziale (21 Marzo e 23 Settembre). Tale modello considera la composizione dell’atmosfera, e di conseguenza il suo peso molecolare, costante a tutte le quote, inoltre considera l’aria secca, cioè priva di vapore acqueo, assimilabile ad un gas perfetto.

Nel seguito vengono riportate le leggi di variazione dei parametri atmosferici al variare della quota secondo il modello I.S.A.

All'aumentare della quota, la temperatura diminuisce secondo una legge di tipo lineare:

t = t0 - a·H

 dove:

a = 0,0065 [°C/m]
H indica la quota espressa in metri [m]
T0 = indica la temperatura al suolo considerata pari a 15 [°C]

Tale legge, rappresentata graficamente, risulta: 

condensazione07


Pertanto una massa d'aria può avere una temperatura di circa -40 °C se si trova attorno ad una quota intorno ai 8-9 Km.

All'aumentare della quota, la pressione atmosferica diminuisce secondo la seguente relazione esponenziale:

  condensazione08

dove:

H indica la quota espressa in metri [m]

 

P0 = 1013,25 [hPa]

T0 = 288,16 [K]

a = 0,0065 [K/m]

g0 = 9,81 [m/sec2]

 

R = 287,04 [m2/sec2·K]

 

condensazione09

 

All'aumentare della quota la densità diminuisce secondo la seguente legge esponenziale:

[formula] 

<!--[if !vml]-->
<!--[endif]-->

ρ0 = 1,225 [Kg/m3]

T0 = 288,16 [K]

a = 0,0065 [K/m]

g0 = 9,81 [m/sec2]

R = 287,04 [m2/sec2·K]

Considerando l’atmosfera reale, è importante capire come varia in generale la distribuzione dell'umidità al variare della quota. Esistono due fenomeni contrastanti:da un lato si verifica la riduzione della densità e quindi la rarefazione del vapore acqueo con conseguente riduzione dell'umidità relativa; dall'altro lato si verifica la riduzione della temperatura e quindi l'incremento dell’umidità relativa.

Pertanto, all'aumentare della quota, il fenomeno della rarefazione viene contrastato dal fenomeno della condensazione. I due effetti contrastanti in generale hanno una valenza differente a seconda delle quote: infatti negli strati medio-bassi la riduzione della temperatura è prevalente alla riduzione della densità, pertanto l'umidità relativa tende ad aumentare.

Oltre tali quote, nonostante la temperatura continui a diminuire per effetto della rarefazione dell'aria, l'umidità relativa diminuisce:

condensazione10
Dati tratti da "I visitatori del cielo" di Huber Aupetit

 

- La struttura dell'atmosfera 

Per definizione l'atmosfera è l'involucro gassoso che avvolge un pianeta. L'atmosfera terrestre misura circa 1.000 chilometri. Con il variare dell'altitudine, variano le caratteristiche dell'aria in termini di proprietà, temperatura, pressione e composizione gassosa; pertanto l'atmosfera terrestre è stata suddivisa in sette strati ognuno con proprie caratteristiche: Troposfera, Stratosfera, Mesosfera, Termosfera, Esosfera, Ionosfera, Magnetosfera.

La Troposfera (sfera di cambiamenti) è lo strato più basso dell'atmosfera, parte dalla superficie terrestre e raggiunge circa i 7-17 Km di altezza (spessore è variabile a seconda della latitudine e delle stagioni) e contiene circa i 3/4 del vapore acqueo complessivo dell'atmosfera.

Questo strato è scaldato direttamente dalla superficie terrestre, quindi con l'aumentare dell'altitudine decresce la temperatura dell'aria (circa 6,5 °C ogni Km, valore definito come gradiente adiabatico umido) fino a stabilizzarsi attorno ai -56,5 °C. L'aria calda vicina alla superficie tendendo a salire forma dei moti convettivi dando origine a venti e perturbazioni: nella Troposfera, infatti, si formano la maggior parte dei fenomeni meteorologici (nubi, venti, neve, pioggia). Con l'aumento dell'altezza decresce anche la pressione atmosferica (in modo esponenziale) e la quantità di vapore acqueo.

E' nella Troposfera che generalmente si manifestano la maggior parte dei voli.

L'estremità superiore della Troposfera, zona di transizione con la Stratosfera si chiama Tropopausa. Ha uno spessore variabile a seconda delle latitudini e delle stagioni: minima in prossimità dei poli  d'inverno (7 Km), massima in prossimità dell'equatore d'estate (17 Km), mentre alle latitudini medie è di circa 11 Km. La temperatura raggiunge spesso il minimo valore a questa altitudine (in condizioni standard -56,5 °C).

La Stratosfera raggiunge circa i 50 Km di altezza. E' un'area molto secca, con vapore acqueo e pulviscolo quasi assenti, gas molto rarefatti e un'umidità simile a quella del Sahara.

La Stratosfera comprende uno strato di ozono (ozonosfera), il quale, assorbendo parte delle radiazioni solari permette il fenomeno dell'inversione termica: con l'aumentare dell'altezza aumenta la temperatura.

La densità dell'aria è molto bassa, di conseguenza le nubi e la pioggia si manifestano raramente, ma il vento e la turbolenza possono essere considerevoli, fino a 250 Km/h nei primi 5 Km. In queste regioni sono presenti le forti correnti a getto o jet streams, utilizzate spesso dai piloti nei voli intercontinentali.

condensazione11

 


- Il ciclo dell'acqua

L'insieme di tutta l'acqua (presente nell'atmosfera, nella terra, nelle acque superficiali, nelle acque sotterranee e negli organismi) costituisce l'idrosfera.

L'acqua si può trovare in tre stati fisici: solida, liquida e gassosa. I più importanti passaggi di stato sono: la fusione (solido-liquido), la sublimazione (solido-gas), la solidificazione (liquido-solido), l'evaporazione (liquido-gas), la condensazione o liquefazione (gas-liquido), brinamento o sublimazione (gas-solido).

Il ciclo dell'acqua (o ciclo idrologico) è il processo attraverso il quale l'acqua, all'interno della idrosfera, si trasforma in continuazione passando da uno stato fisico all'altro. Il ciclo idrologico si compie attraverso tre processi fisici fondamentali: evaporazione, condensazione, precipitazione.

condensazione12


Il fenomeno dell'evaporazione avviene per effetto del surriscaldamento generato dall'energia termica del sole. Parte dell'acqua presente negli oceani, mari e laghi si trasforma in vapore acqueo il quale, essendo soggetto ad un moto ascensionale convettivo, viene trasportato negli strati alti dell’atmosfera. I fattori che determinano l'evaporazione sono: vento, temperatura, umidità e superficie di evaporazione.

Il volume d'aria evaporato durante la fase ascensionale è soggetto a due fenomeni fondamentali:
    - la riduzione di pressione al variare della quota crea un'espansione del volume d'aria: ad un aumento del volume è correlato una riduzione della temperatura;
    - all'aumentare della quota la temperatura si riduce per effetto del gradiente termico della temperatura.

Come osservato in precedenza un volume d'aria contenente del vapore, se raffreddato ad una temperatura specifica (temperatura di rugiada) raggiunge un'umidità relativa del 100%. Oltre tale soglia si verifica il fenomeno della condensazione.

I nuclei di condensazione sono importanti per il passaggio di stato della condensazione o della sublimazione: senza di essi infatti si potrebbe superare il 100% di umidità relativa senza  assistere al passaggio di stato (fenomeno della sovrassaturazione o della sopraffusione). I nuclei di condensazione sono particelle solide grandi pochi millesimi di millimetro generalmente costituite da cristalli di sale marino, oppure da granelli di polvere, granelli di carbone o da solfati e nitrati. La loro funzione è quella di unire le molecole di vapore acqueo condensato dando luogo alle goccioline di nube.

- La saturazione e condensazione del vapore acqueo 

La condensazione del vapore acqueo è un processo esotermico: durante il passaggio di stato, il vapore acqueo rilascia calore all'ambiente circostante.

In una massa d'aria, l'umidità relativa è data dal rapporto tra la quantità di vapore contenuto e la quantità massima di vapore ammessa in quel volume a quella temperatura:

cond13

A pressione costante, una massa d'aria può raggiungere la saturazione (umidità relativa pari al 100%) se:

- aumenta il volume presente nella massa d'aria;

oppure se

-  la massa d'aria viene raffreddata lasciando invariata la quantità di vapore esistente.

Il raffreddamento di una massa d'aria avviene attraverso o per effetto di un moto convettivo (l'aria calda tende a salire verso l’alto) o per effetto forzato di una corrente ascensionale (es. sulle pendici di una montagna).  Il volume di vapore acqueo, salendo nell'atmosfera e trovandosi a pressioni inferiori tenderà ad espandersi e a rilasciare calore con l'aria circostante, quindi a raffreddarsi. 

Se il vapore acqueo ha temperatura inferiore alla temperatura dell'aria circostante, invece di salire scenderà riscaldandosi. In questa situazione si dice che l'aria è stabile. Non essendo stata raggiunta una temperatura sufficientemente bassa per la condensa non si avrà alcuna formazione di nubi.

Se il vapore acqueo in salita ha una temperatura maggiore alla temperatura dell'aria circostante, la massa d'aria continuerà la sua ascesa espandendosi e raffreddandosi sempre di più fino a raggiungere la saturazione. Raffreddandosi ulteriormente e grazie alla presenza dei nuclei di condensazione, il vapore acqueo si condenserà in goccioline d'acqua e si avrà la formazione di una nube.

La salita e il raffreddamento del vapore acqueo sono fenomeni legati alla differenza tra la temperatura del vapore acqueo e la temperature dell'aria che lo circonda. Finché la temperatura del vapore acqueo è maggiore, esso continua a salire nell'atmosfera, a raffreddarsi e a condensarsi. In questo caso l'aria viene definita instabile.

- La formazione delle nubi

Una nuvola è il risultato di un'atmosfera in condizioni di saturazione: vi sono in sospensione  goccioline d'acqua e/o cristalli di ghiaccio. All'interno di una nuvola, in generale, si verificano fenomeni di condensazione, sublimazione, evaporazione, rilascio di calori latenti.

Per formarsi, una nuvola necessita di nuclei di condensazione e di vapore acqueo (quindi di un'elevata umidità relativa). Le nuvole quindi non si possono formare nell'aria secca: necessitano una certa quantità di  vapore acqueo in modo che con un adeguato raffreddamento si verifichi il cambiamento di stato da vapore acqueo a gocce d'acqua e/o cristalli di ghiaccio. Pertanto le nuvole per formarsi richiedono elevati valori di umidità relativa e quindi piccole differenze tra la temperatura dell'aria e il punto di rugiada.

I nuclei di condensazione facilitano il passaggio di stato del vapore dalla fase gassosa alla fase liquida. Il fenomeno della condensazione si manifesta al suolo sottoforma di brina sull'erba mentre in atmosfera avviene attorno a particelle in sospensione di sale marino o di pulviscolo. I motori degli aeromobili, oltre al vapore acqueo immettono nell'atmosfera particelle dei gas di scarico (aerosol) che fungono da nuclei di condensazione e quindi facilitano tale fenomeno.

Se il volume d'aria considerato non ha raggiunto il punto di saturazione, al fine della formazione di una nuvola è necessario o aggiungere del vapore acqueo oppure raffreddare ulteriormente l'atmosfera avvicinandosi così alla temperatura di rugiada. In entrambi i casi deve essere raggiunta un'umidità relativa del 100%.

Il raffreddamento può avvenire per contatto (ad esempio un corrente ascensionale che si raffredda al contatto con le pendici di una montagna), oppure quando una corrente calda incontra una corrente fredda oppure per espansione adiabatica.

Nell'ultimo caso, detto propriamente processo adiabatico secco (dry adiabatic process), una particella di aria che cambia la sua quota deve adeguare la propria pressione con quella dell'ambiente circostante. Pertanto quando una particella di aria si solleva dal suolo subisce una riduzione di pressione espandendosi, mentre discendendo subisce una compressione. Una particella che si muove verso l'alto riduce la sua temperatura utilizzando la sua energia interna per espandersi. Viceversa, se la particella è in fase di discesa subisce una compressione e quindi un riscaldamento.

Se una nuvola si sta dissipando significa che ha un movimento discensionale (surriscaldamento da compressione adiabatica) oppure che si sta miscelando con l'ambiente secco circostante; in entrambi i casi si ha l'evaporazione della nuvola.

Il processo adiabatico secco è un processo termodinamico e segue leggi ben precise: 3°C ogni 1000 ft (5,4 °F ogni 1000 ft).

cond14


Seguendo questo principio, l'aria all'interno della troposfera si muove perché la superficie terrestre viene riscaldata in modo disomogeneo. Una determinata massa d'aria che si trova vicino ad una fonte di calore sulla superficie terrestre si riscalda e tende ad espandersi e a diventare più leggera, diminuendo così la sua densità e la sua pressione. In questo modo si crea una disomogeneità barica con l'aria circostante e si ha la formazione di forze che tendono a ripristinare l'equilibrio alterato.

Per effetto di queste forze, generatrici dei moti convettivi, l'aria più calda si sposta verso l'alto e quella fredda verso il basso. Questo fenomeno prende il nome di convezione naturale. I moti convettivi rappresentano un ruolo importante nel processo di formazione delle nubi e della successiva sospensione delle gocce condensate.

Come si è visto in precedenza, il vapore acqueo rimane nello stato fisico gassoso finché non raggiunge la saturazione. Se aumenta la quantità di vapore acqueo o se diminuisce la sua temperatura, il vapore in eccesso rispetto alla quantità massima di saturazione condensa e si trasforma in goccioline d'acqua.

Se la temperatura del vapore acqueo è molto bassa, invece della condensazione si manifesta la sopraffusione: la maggior parte delle goccioline ghiacciano in modo spontaneo in presenza di temperature inferiori a -40 °C. Le nubi formate per sopraffusione sono  caratterizzate da microscopici cristalli di ghiaccio e appartengo alla categoria delle nubi alte, poiché nell'atmosfera valori di temperatura attorno a -40 °C si trovano genericamente a quote maggiori di 8 Km.

In generale le nubi si formano quando, in seguito ad un raffreddamento, il vapore acqueo raggiunge il punto di rugiada. Esistono altri tipi di raffreddamento: convettivo, sinottico, orografico.
- Raffreddamento convettivo: l'aria si riscalda al contatto col suolo e sale nell''atmosfera espandendo il suo volume e raffreddandosi fino a raggiungere la temperatura di rugiada e condensarsi.
- Raffreddamento sinottico: due masse d'aria con diversa temperatura si incontrano e quella più fredda e più densa tende a incunearsi sotto quella più calda, la quale si raffredda e sale dando origine a fenomeni di condensazione e nubi.
- Raffreddamento orografico: una massa d'aria che incontra una montagna è costretta a risalire lungo i pendii e durante l'ascesa si raffredda generando sistemi nuvolosi.

 

Il vapore acqueo condensato da origine alle nubi. Le goccioline d'acqua tendono a cadere per effetto della forza di gravità ma rimangono sospese nell'atmosfera in quanto si verificano in contemporanea fenomeni di condensazione e di evaporazione, rispettivamente con rilascio e assorbimento di calore.

I nuclei di condensazione determinano il numero e la grandezza delle goccioline d'acqua. Se i nuclei di condensazione sono ridotti rispetto al volume condensante, le goccioline che si formano all'interno della nube sono poco numerose ma abbastanza grandi per la manifestazione di una precipitazione. Viceversa, se i nuclei di condensazione sono tanti, le goccioline che si formano sono numerose ma troppo piccole al fine di una precipitazione (si verifica l’evaporazione durante la fase di discesa per compressione adiabatica).

Le goccioline di acqua vengono trascinate verso l'alto dalle correnti che consentono la formazione delle nubi e vengono a contatto con le goccioline più piccole e più leggere. Nella collisione le gocce più grandi catturano le goccioline più piccole fino a raggiungere dimensioni talmente grandi da non poter più essere sostenute dalle correnti convettive. A questo punto ricadono all'interno della nube catturando altre goccioline e ingrossandosi ulteriormente.

Viene definito coalescenza il processo attraverso i quale le goccioline d'acqua tendono a gonfiarsi fino a divenire gocce di pioggia. Una precipitazione si verifica quando queste gocce sono talmente grosse e pesanti da non riuscire più ad essere sostenute dalle correnti ascensionali presenti nelle nubi.

  - Tipi di nubi 

La classificazione delle nubi, affidata all'Organizzazione Meteorologica Mondiale (OMM o WMO) suddivide le nubi in dieci generi a loro volta suddivisi in specie e varietà. Le nubi vengono classificate a seconda dell'intervallo di quota (nubi alte, nubi basse, nubi medie) alla quale si formano e a seconda del loro aspetto (cirri, cumuli, strati, nembi):

- cirri, cirrocumuli, cirrostrati (nubi alte, 6-13 Km)
- altocumuli, altostrati (nubi medie, 3-6 Km)
- strati, nembostrati (nubi basse, 0-2 Km)
- cumuli, stracumuli, cumulonembi (nubi a sviluppo verticale)

condensazione15 


I nembi hanno una base grigia scura sono le nubi portatrici di pioggia.

Le nubi stratiformi possono avere estensioni notevoli. Si formano quando il vapore acqueo si condensa in condizione di correnti ascendenti deboli.

Le nubi cumuliformi assumono forme a grumi isolati o a gruppi. Si formano quando il vapore si condensa in corrispondenza di masse d'aria che salgono velocemente.

I cirri sono nuvole bianche con aspetto fibroso che si formano a quote alte (sopra i 5 km). Di solito preannunciano l'arrivo di un fronte caldo accompagnato da precipitazioni spesso persistenti. Sono permeabili luce solare e all'imbrunire diventano di colore rossiccio. Se sono permeabili alla luce solare significa che sono costituiti interamente da cristalli di ghiaccio e questo può avvenire solo ed esclusivamente a temperature inferiori a -40 °C.

- I motori degli aerei

I motori utilizzati negli aeroplani sono i motori jet o motori a getto. I componenti principali di un motore a getto sono: presa d'aria, compressore, albero, combustore o camera di combustione, turbina, postbruciatore (se presente), ugello di scarico, ugello supersonico (se presente).

Il principio di funzionamento è semplice: una massa costituita da aria e dai prodotti della combustione, viene accelerata lungo la direzione voluta del moto; tale accelerazione, secondo le leggi di azione e reazione, genera una  spinta di uguale intensità ma contraria nel verso. Un classico esempoio di tale fenomeno è quello del palloncino gonfio d'aria che viene bucato: esso comincia a muoversi nel verso opposto al foro praticato.

L'aria viene poi aspirata frontalmente, penetra all’interno del motore e subisce una fase di compressione, dopodichè entra nelle camere di combustione (dove si miscela con il combustibile) e subisce un incremento della temperatura (raggiunge circa i 1000 °C). La massa di gas combusti si espande parziamente in una turbina trasferendo ad essa l'energia necessaria al funzionamento del compressore assiale calettato sullo stesso albero della turbina; la portata di massa, infine, viene espulsa attraverso l'ugello generando così la spinta che è la causa del moto dell'aereo. La temperatura di uscita dei gas di scarico dal motore è di circa 500 °C.

  condensazione16

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Con questo processo si verificano due fenomeni contrastanti per la formazione di una scia di condensazione: da una parte si immette nell'atmosfera vapore e nuclei di condensazione e dall'altra si immette calore, quindi si riscalda l'aria circostante.

- La formazione delle scie di condensazione 

Le "exhaust contrails" sono le scie generate dalla condensazione del vapore acqueo contenuto nei gas di scarico dei motori degli aeromobili. In un'atmosfera estremamente fredda, la formazione delle scie di condensazione viene favorita dall'immissione di una notevole quantità di vapore acqueo e di nuclei solidi di condensazione prodotti dalla combustione dei motori. Se l'atmosfera circostante è lontana dal punto di saturazione le scie appena formate si miscelano in breve tempo con l'ambiente secco circostante e si verifica così l'evaporazione della scia. Possono, invece, essere più persistenti se l'aria nella quale si formano è estremamente fredda e prossima alla saturazione, quindi con un alto valore di umidità relativa. Non si possono avere scie persistenti se si è lontani dal punto di saturazione.

La condizione critica per il formarsi delle scie di condensazione, quindi, è l'alta umidità e la bassa temperatura, entrambe legate alla quota di volo. 

I vincoli da soddisfare per avere una scia di condensazione persistente sono:
- umidità relativa superiore al 70%
- temperatura inferiore al -40 °C
Tali fattori sono soddisfatti soltanto a quote maggiori di 8 Km.

 La formazione e la persistenza delle scie di condensazione possono essere valutate anche in relazione ad un altro parametro: la pressione.

I primi ad studiare le contrails in relazione a tutti questi parametri sono stati gli scienziati americani negli anni della seconda guerra mondiale, in quanto a causa delle tracce di vapore lasciate nel cielo dai propri aerei era facile essere intercettati e localizzati dai nemici.

Analizzando una situazione in cui dei gas combusti caldi a contatto con una temperatura esterna e determinata umidità relativa e pressione, si è cercato di valutare il valore di temperatura di soglia alla quale con certezza i velivoli non rilasciavano scie. Ricavata tale temperatura si è ricavato il diagramma di Appleman, per molti anni utilizzato dall'US Air Force Global Weather Center.

  condensazione18

In relazione ai diversi valori di temperatura, umidità e pressione, il diagramma di Appleman indica tre zone distinte:

-  Alway contrails: zona nella quale si possono formare le scie di condensazione  NON persistenti
- No contrails: zona nella quale le scie di condensazione non si possono formare
- Maybe contrails: zona nella la formazione di scie di condensazione è forse probabile.

condensazione19

La zona compresa tra la linea tratteggiata rossa e quelle a fianco (RH = 60%) indica la zona nella quale si possono verificare le scie di condensazione persistenti.

In conclusione, si può affermare che una scia di condensazione può verificarsi soltanto in ristrette condizioni atmosferiche e non può permanere nel cielo per lunghi periodi di tempo poiché, rispettando delle leggi della fisica ben definite, è soggetta al fenomeno dell'evaporazione. Per la precisione, i cristalli di ghiaccio subiscono un processo di sublimazione trasformandosi direttamente in vapore acqueo senza passare attraverso lo stato liquido e diventando molecole gassose invisibili. Di conseguenza, non potendo rimanere sospesa nell'aria a lungo, tende ad evaporare poco dopo (nel giro di 30-50 secondi) il passaggio dell'aeromobile che l'ha generata. Pertanto, una scia di condensazione non può essere molto lunga e soprattutto non può essere molto larga.

Si è visto che la formazione di una contrail persistente è sì possibile, ma soltanto in condizioni ulteriormente restrittive. Una scia di condensazione persistente è una scia che dura al massimo un paio di minuti, una scia non persistente dura circa 30-50 secondi. In ogni caso, una scia di condensazione, che sia persistente o meno, non può raggiungere una lunghezza elevata e non dispone tempo necessario per espandersi nell'aria. Inoltre, proprio perché è soggetta ad una veloce dissolvenza, non può dare origine a cirri o nubi. Nonostante il suo aspetto sia simile all'aspetto bianco e fibroso dei cirri, una scia di condensazione non può essere considerata una nube. Essa non è altro che una breve striscia di vapore acqueo che segnala il passaggio di un aereo.

Ricapitolando, i motori a getto immettono nell'atmosfera i gas combusti contenenti del vapore acqueo, il quale, trasformandosi in cristalli di ghiaccio, da luogo alle scie di condensazione. Queste, proprio perché sono costituite da cristalli di ghiaccio, hanno l'aspetto bianco fibroso tipico delle nubi alte (cirri, cirrocumuli e cirrostrati). Dal momento che la trasformazione diretta dal vapore acqueo a ghiaccio può avvenire soltanto a temperature al di sotto dei -40 °C e quindi a quote superiori agli 8000 m, le scie di condensazione si possono formare soltanto in presenza di questi valori.

La loro "vita" è strettamente legata al grado di saturazione dell'atmosfera circostante, pertanto non possono sopravvivere in un ambiente con bassa umidità relativa. La loro persistenza è fisicamente possibile solo in presenza di temperature al di sotto dei - 40°C con livelli di umidità relativa prossimi al livello di saturazione.

E' proprio per questo motivo che le condizioni necessarie alla formazione e alla persistenza di una scia di condensazione sono molto restrittive (temperatura inferiore a – 40 °C; umidità relativa superiore al 70%; quota superiore a 8000 m) e che la probabilità che si verifichino ogni giorno e ad ogni ora è molto bassa.

Questo è il punto di partenza per capire che cosa sono quelle scie bianche nel cielo: se non sono scie di condensazione... che cosa sono?

scie chimiche - chemtrails

 

 

Le formule riportate in questa pagina non sono da considerare leggi fisiche ma modelli matematici. Parte del materiale è stato liberamente tratto da "Il fenomeno della condensazione" (in formato ppt) dell'Ing. L. Fenu messo a disposizione su sciesardegna.it.

Un ulteriore approfondimento è in fase di stesura verrà presto pubblicato. Chiunque volesse contribuire non esiti a conttarci.


 

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